Supremacja kwantowa: jak Google i IBM zamienili liczbę kubitów w wyścig na dekadę

Google ogłosił osiągnięcie supremacji kwantowej, czyli momentu, w którym komputer kwantowy rozwiązuje problem poza zasięgiem klasycznych maszyn. Praca firmy trafiła do Fortune po krótkim pobycie na NASA.gov. Opisywała procesor Sycamore z 53 kubitami.

Sama liczba nie była tu najważniejsza. Gdy Google upublicznił twierdzenie we wrześniu 2019 roku, wyścig zdążył już wyprodukować serię ogłoszeń opartych na liczbie kubitów, okablowaniu i wskaźnikach błędów. Każde miało zastrzeżenie. „Komunikaty prasowe zawsze mówią o wyścigu kwantowym w liczbie kubitów” – powiedział John Martinis, fizyk z University of California w Santa Barbara kierujący pracami Google, na konferencji Q2B w NASA Ames w grudniu 2017 roku. „To więcej niż ilość, liczy się jakość kubitów”.

Dwa lata wcześniej test na sześciu kubitach

MIT Technology Review pisał w kwietniu 2017 roku, że Martinis dał sobie kilka miesięcy na osiągnięcie przełomu. Jego zespół w Google, liczący około 25 osób, zbudował sześciokubitowy układ w siatce 2x3. Układ miał znaczenie, bo był pierwszym testem, czy kubity działają obok siebie, tak jak w większym urządzeniu.

Układ testował też metodę produkcji, w której kubity i okablowanie powstają na osobnych chipach, a potem są łączone. Zespół Google stawiał na to podejście od powstania grupy nieco ponad dwa lata wcześniej. Celem było wyeliminowanie linii sterujących zakłócających pracę kubitów. „Ten proces działa” – mówił wtedy Martinis. „Teraz jesteśmy gotowi ruszyć szybko”.

Na tym etapie Google pokazał obliczenia kwantowe z dziewięcioma kubitami w linii. Martinis mówił, że do eksperymentu z supremacją potrzebuje siatki 49 kubitów. Projekty urządzeń z 30 do 50 kubitów były już w toku.

IBM odpowiada 50 kubitami

IBM ruszył pierwszy. 10 listopada 2017 roku Associated Press podała, że naukowcy IBM zbudowali i zmierzyli prototyp z 50 bitami kwantowymi. Dario Gil, kierownik badań nad obliczeniami kwantowymi i AI w IBM, stwierdził, że to pierwszy komputer kwantowy w tej skali. Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej na MIT niezwiązany z badaniami, mówił, że IBM ma jeszcze usterki do usunięcia, ale nazwał ogłoszenie istotnym postępowaniem.

Odpowiedź Google przyszła kilka tygodni później, na Q2B. Martinis powiedział, że jego zespół produkuje w tym miesiącu urządzenie z 49 lub 50 kubitami, a testy zaczną za dwa tygodnie, nie licząc świąt. Opisał problem: zespół splącze kubity, pozwoli układowi ewoluować, a potem zmierzy wyniki. Symulacja na klasiku zajęłaby tygodnie, maszyna kwantowa minuty. Różnica pokazałaby skalę i jakość.

Nie wszyscy traktowali liczbę kubitów jako tablicę wyników. „To będzie przełom akademicki” – powiedział Chris Monroe, profesor University of Maryland i współzałożyciel IonQ, dla MIT Technology Review. „Potem trzeba wymyślić, jak to skalować i programować”.

Twierdzenie z 2019 roku i kontra

Praca Google mówiła, że procesor potrzebował około 200 sekund na milion próbek obwodu kwantowego, a superkomputer 10 000 lat. Na serwerze Google Cloud zajęłoby to 50 bilionów godzin. Na procesorze kwantowym: 30 sekund. „Z naszej wiedzy to pierwsze obliczenie możliwe tylko na procesorze kwantowym” – napisali.

Gil z IBM odrzucił tę ramę. „Eksperyment i termin »supremacja« zostaną źle zrozumiane przez niemal wszystkich” – powiedział Fortune. Opisał to jako szczególny eksperyment laboratoryjny bez zastosowań. Komputery kwantowe będą pracować obok klasycznych, nie nad nimi. Jim Clarke, dyrektor sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał wynik kamieniem milowym. Komercyjny komputer wymaga wielu postępów. „Jesteśmy na pierwszym kilometrze maratonu, ale wierzymy w potencjał” – mówił.

Wpis Google na blogu, po publikacji w Nature w październiku 2019 roku, łączył świętowanie z ostrożnością. Firma wywodziła prace z 2006 roku, gdy Hartmut Neven badał przyspieszenie uczenia maszynowego. Martinis dołączył w 2014 roku. Zastosowania są odległe. Wymuszone zamknięcie laboratorium podczas pożarów w Kalifornii w 2018 roku pomogło zresetować zespół po wyhamowaniu.

Harmonogramy komercyjne pozostały mgliste. Na spotkaniu American Physical Society w marcu 2019 roku IBM podał, że Q System One z 20 kubitami osiągnął Quantum Volume 16, dwukrotnie więcej niż 8 w IBM Q. Wskaźnik uwzględnia liczbę kubitów, łączność, koherencję, błędy, przesłuchy i kompilator. IBM mówił, że musi się podwajać co roku, by osiągnąć przewagę kwantową w dekadę. Od 2017 roku podwaja moc co roku.

ZDNET podawał, że szerokie zastosowania są odległe o lata. I mniej więcej tu jest dziedzina. Przełom, nawet prawdziwy, to nie produkt.